光学参数研究现状

双积分球技术

近年来，激光在生物医学上的应用得到人们越来越广泛的关注，其中生物组织光学特性在光与组织体的相互作用中扮演着重要的角色。组织光学特性参数用来表述组织的光学性质，为临床的医疗诊断和治疗提供参数指标，对医学领域的相关应用有重要的指导意义。

生物组织是一种复杂介质，是一种高散射随机介质，研究光与这种随机介质的相互作用并通过相互作用来反映有关组织内部的特征信息是近几年光学技术研究较为活跃的前沿领域之一，并逐步发展成为一种新兴学科分支——组织光学。

组织光学的核心是发挥光子学测量的实时、无损或微创等优势，利用各种光子学技术，通过测量组织光学特性参数的变化来揭示生物组织结构与功能的变化。因此，光学特性参数的测量对组织光学至关重要。

随着激光生物医学的普及，特别是各种新型激光器的出现，激光正广泛应用于生物医学领域的各个方面。令人遗憾的是，目前有关激光生物医学领域的基础研究并未跟上临床应用，实际的应用中还存在着很大的盲目性，“经验"起着很重要的作用。其主要的原因在于，对激光与生物组织相互作用机理认识不足。为

研究光与组织的相互作用，诸多模型被提出来了，这些模型的准确性取决于组织光学特性参数的测量。因此，光学特性参数的准确测量对组织光学至关重要，它是进一步研究光在生物组织中传播的基础，对激光外科，光动力疗法等激光临床应用都有重要的指导意义。

凡是与光学参数有关的关系和规律，均可成为测量的依据和原理，因而组织体光学特性参数的测量方法及所涉及的内容几乎包罗万象。测量组织光学特性参数方法有时间分辩、空间分辩、频率调制，超快时间分辩谱和空间分辨谱，积分球技术甚至神经网络技术等等。各种测量方法各有千秋，双积分球技术是目前公认最为精确的一种测量技术。该技术采用的是一种离体的间接光学特性参数测量方法，是将积分球系统及传输理论的精确解结合起来实现的。在己知生物组织样品厚度的情况下，利用积分球系统测量组织样品的反射率，透射率以及准直透射率，而后再根据特定的组织体光学传输模型就可以获得组织体的主要光学特性参数。它能够同时获取离体生物样品的各项光学特性参数，并且可以分别考虑组织的层状结构，如可以对离体的真皮和表皮分别进行测量，是研究组织光学的一种重要方法。

生物组织中的光传输以及生物组织的光学特性是生物医学光子学重要的研究内容，在医学上对疾病的光诊断和光治疗有重要的理硷和实际的意义。因此本论文对光在生物组织中的传输以及生物组织光学特性参数的测量进行了理论和实验研究。

从光的传输理论出发，在漫射近似下获得了生物组织内光传输的漫射近似方程，并且在不同的边界条件下对无限细光束垂直入射到半无限大组织的漫射方程进行了求解，给出了组织表面漫反射系数的时间和空间分辨的表达式。

生物组织是由不同大小、不同成分的细胞和细胞问质组成的，对可见光和近红外光通常呈现出不透明、混沌和高散射的特点。光在生物组织传播是一个很复杂的过程，其主要特点是生物组织对光波的散射和吸收。

确定生物组织光学特性参数是医学诊断和治疗领域中迫切需要解决的问题，是生物医学光子学研究的热点之一。目前，生物组织光学特性参数的测量方法主要有直接测量法和间接测量法，其中活体组织的无损测量法是研究的热点。出于生物组织结构的多样性和复杂性，从目前国内外报道的研究和测量结果来看，所获得的生物组织的光学特性参数有较大的离散性，表明光传输理论或其他相关的理论尚有待进一步完善，依据光传输理论所建立测量方法与技术尚在理论和实验研究阶段，对于实际医学临床的使用还有大量的工作要做。另一方面，传统的光学参数有时并不适合于实际应用，寻找新的参数，使其能够更准确、更具特异性的体现生物组织的特性，也是今后这方面工作的一个重点。

历史上曾经提出两科t不同的理论来处理光波在随机分布粒子群中的传播问题，一种称为解析理论，另一种称为输运理论。解析理论也称为多次散射理论，它从Maxwell方程或波动方程这种基本微分方程出发，引进粒子的散射和吸收特性，并求出方差和相关函数这些统计量的适当的微分方程或积分方程。原则上，这种理论考虑了多次散射、衍射和干涉效应，在这个意义上说，它在数学上是严格的。但是，实际上它不

可能得到完全包括这些效应的解，产生有用解的各种理论电都是近似的，每一种理沦只在一定的参数范围内才有用。

输运理论也称之为辐射传输理论，它是由Schuster于1 903年首创的。输运理论不是从波动方程出发，而是直接讨论能量通过包含粒子的介质时的输运问题f281。该理论的研究比较直观，它缺少解析理论那种数学上的严谨。尽管在描述单个粒子的散射和吸收特性时考虑了衍射和干涉效应，但输运理论本身并不包括衍射和偏振效应，仅有所谓的可由实验确定的组织光学性质基本参数。为此，引入吸收和散射特征参数：吸收系数、散射系数。散射相函数和平均折射率用来描写光与生物组织的相互作用，这些参数在一定条件下可以由实验直接或间接测得。在输运理论中假定辐射场之间不存在相关性，因此用到的是功率的叠加而不是场的叠加。

随着光传输理论和实验研究的曰益深入，国际上出现了许多测量生物组织光学特性参数的新方法和新技术，时间分辨技术、空间分辨技术、以及频域光子迁移技术都得到了发展。其中，时间分辨技术在人体组织光学特性活体检测的实际应用已有报道。

各种先进的激光光源和探测方法的推出以及相关设备水平的提高促进了生物组织光学特性参数测量

技术的发展。目前人们可以使用不同功率、多种波长连续激光或者从纳秒至飞秒范围的脉冲激光及其一体化设备研究和测量生物组织的光学特性。从早期采用单光纤探测发展到集成光纤探测组织表面的光分布，特别是CCD探测技术与计算机相结合应用于生物组织光学特性参数测量，使无损测量技术水平提升到一个新的高度。近年来，人们还将相干探测技术用于该领域，相干后散射测量已经作为一种新方法用于生物组织光学特性的研究。

B．C．Wilson、C．J．M．Moes、、Ⅳ．M．Star和H J．van Staveren等人对生物组织模拟液Intralipid 的光学特性作具体的研究，在630nm波长He-Ne激光入射情况下测定了一定百分比浓度的Intralipid溶液的散射系数。、吸收系数。和各向异性囚子g，H．J．vfln Staveren等人还对400--1100rim范围内多个波长的激光在Intralipid--10％中散射的情况作了研究，给出了散射系数和g随入射光波长变化的关系式。

S．T Flock、13．C．Wilson and M．S、Patterson等人用各向同性散射光纤探头测量了633nm光入射到Intralipid／ink溶液中的光能流率，用光纤和积分球装置分别测量了溶液表面的漫反射系数，并与Monte Carlo模拟和漫射理论结果相比较以试验MonteCarlo模型的精度和适用范围，得出了在0．95一O．999的反照率范围内Monte Carlo模拟和漫射理论结果与实验结果有很好的符合，而探测液体表面的漫反射率积分球装置相对光纤探测有较大的误差。

A．H．Hielscher和S．t Flock等人用Monte Carlo模拟数据为非实验标准，检验了漫射理论模型在不同边界条件下的精度，分析了误差对散射系数和吸收系数以及光源一探测点距离的依赖关系，指出在近源处(一般指光源一探测点距离小于2mm)漫射理沦模型有较大误差，离开光源区后则误差逐渐减小。

早在70年代，许多研究者用切片离体测量的方法测定了某些生物组织在离体状态下的光学特性参数，Oregon Graduate Institute，Beaverton的Scott A．Prahl等人利用两个积分球分别测量薄片组织表面的漫反射和透过光强，然后利用加倍(adding—doubling)方法来推算组织的光学参数。R．Marchesini等人测量了几种哺乳动物离体组织的散射系数、吸收系数和各向异性因子。Cheong和Wilson发表了离体组织光学特性参数的测量方法与研究成果的综述沦文。

M．S．Patterson等人在1989年对时域的漫射理论作了理论和实验研究，获得了半无限大介质及平扳介质的漫反射系数和透射系数的理论公式，并与Monte Carlo模拟结果及实验结果相比较有较好的符合，用760nm皮秒级脉冲激光入射并测量了人的小腿部肌肉在体组织表面的漫反射光分布，基于该理论模型下获得了组织的散射系数和吸收系数。

R．A．Bolt and J．J．ten Bosch等人在1 993年较早将CCD技术用于生物组织光学特性的研究，使用二维CCD装置测量了组织模拟液Intralipid表面的漫反射光沿空间分布，并与漫刳近似理沧、随机行走模型进行了比较。

A．Kienle等人采用CCD设计了一套非接触法接收生物组织表面空间分辨的漫反射光，用蒙特卡罗算法训练的神经网络求得空问分辨波形的数据求解组织的光学参数，且通过生物组织模拟液英脱利匹特